SU1117491A1

SU1117491A1 - Diffusion coefficient determination method

Info

Publication number: SU1117491A1
Application number: SU813321081A
Authority: SU
Inventors: Галина Федоровна Погорелова; Виталий Митрофанович Фальченко; Александр Евгеньевич Погорелов
Original assignee: Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции; Институт металлофизики АН УССР
Priority date: 1981-07-21
Filing date: 1981-07-21
Publication date: 1984-10-07

Abstract

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ, заключающийс в последовательном удалении параллельных слоев контролируемой толщины с поверхности исследуемого образца и измерении после каждого удалени параметра образца, характериз тощего количество диффузанта в нем, отличающийс тем, что, с целью увеличени числа исследуемых диффузантов, удешевлени и упрощени способа путем обеспечени нерадиоактивных элементов, в качестве параметра образца, характеризующего количество диффузанта в нем измер ют температуропроводность образца в направлении диффузии. (Л сA METHOD FOR DETERMINING THE DIFFUSION COEFFICIENT, which consists in the sequential removal of parallel layers of controlled thickness from the surface of the sample under investigation and measurement after each removal of the sample parameter, characterized by a thinner amount of diffusant in it, in order to increase the non-radioactive elements, as a parameter of the sample, characterizing the amount of diffusant in it, the thermal diffusivity of the samples is measured in the direction of diffusion. (L with

Description

4:four:

Г Изобретение относитс к экспериментальной физике, в частности к физическому исследованию диффузионных процессов, и может быть использовано в металлургии, полупроводниковой технологии -и других отрасл х промышленности. Известен способ исследовани диф фузионной подвижности путем определени электропроводности диффузионн пары, заключающийс в измерении электросопротивлени образцов в раз личной степени насыщенных диффузантом , по величине которого суд т о диффузионной подвижности данного элемента lj . Недостатками iDToro способа вл ютс низка чувствительность при изучении неэлектропровод щих матери лов, а также необходимость использовать образцы с поперечными размерами. Известен способ определени коэффициентов диффузии из измерений микротвердости, , заключающийс в измерении микротвердости образца по глубине диффузионной зоны и расчете коэффициента диффузии по получен ному профилю 2J . Недостатками этого способа вл ю с - мала .чувствительность и сильна зависимость микротвердости от струк ры основного металла. Кроме того, из-за конечных размеров отпечатка индентора при измерении микротвердо ти этот способ пригоден в основном дл исследовани диффузии элементов обладающих высокой подвижностью и образующих прот женные (по сравне нию с размером отпечатка) диффузион ные зоны. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности вл етс сп соб определени коэффициента диффузии , заключающийс в последовательном удалении параллельных слоев кон тролируемой толщины с поверхности исследуемого образца и измерении после каждого удалени параметра об разца, характеризующего количество диффузанта в нем. В качестве диффузанта используют радиоактивные элементы (меченые атомы). Количественные характеристики концентрационного распределени получают пут последовательного сн ти слоев (например , стравливанием, сошлифовыван и т.п.) контролируемой (например, взвешиванием) толщины Х, котора г раздо меньше толщины диффузионной зоны , чередуемого с измерением с помощью регистрирующей аппаратуры, например счетчиков ионизирующих излучений , интегральной активности ,f. оставшейс части образца. При этом коэффициент диффузии определ ют по формуле Ai-idOi коэффициент диффузии, t - врем диффузии, ciidcL - тангенс угла наклона графика зависимости if) ( U iq / Д Х) от Х уменьшение интегральной активности образца при удалении сло толщиной i Х., расположенного на рассто нии X от начальной поверхности образца 3 . Однако способ радиоактивных у.зотопов сушественно ограничивает число элементов, подвижность которых в материале требуетс определить, что св зано с необходимостью применени долгоживущих изотопов, обладающих периодом полураспада (более 1 сут), достаточным дл проведени диффузионных исследований (нанесение изотопа на поверхность материала, диффузионный отжиг образцов, сн тие слоев и измегрение интегральной активности). Иссле ;дование диффузий других элементов (на пример, бор, азот и др.) и концентрационных распределений некоторых соединений (например, нитрид бора, окись алюмини , гексаборид лантана и др.) этим способом невозможно из-за отсутстви соответствующих изотопов. Кроме того, при использовании известного способа радиоактивных изотопов в диффузионных исследовани х возкает возможность проникновени радиоактивного вещества в окружающее пространство , ведущее к радиоактивному заражению рабочего помещени , вследствие чего требуетс применение специальньк мер безопасности (специально оборудованные помещени и средства защиты, обучение и специаль на подготовка обслуживающего персонала и др.), что в свою очередь усложн ет использование известного способа и делает его недоступным дл широкого применени . Часто высока стоимость радиоактивных изотопов (например, стоимость одной расфасовки радиоактивного алюмини примерно в 10 тыс. раз выше такого же количества обычного алюмини ) и увеличение числа обслуж вающего персонала значительно удорожают себестоимость исследований, I проводимых с помощью известного спо соба. Целью изобретени вл етс увеличение числа исследуемых диффузантов , удешевление и упрощение способ путем обеспечени использовани нерадиоактивных элементов. Поставленна цель достигаетс тем, что согласно способу определени коэффициента диффузии, заключаю щемус в последовательном удалении параллельных слоев контролируемой то щины с поверхности исследуемого оё разца и измерении после каждого удал ни параметра образца, характеризующего количество диффузанта в нем, в качестве параметра образца, характеризующего количество диффузанта в нем.измер ют температуропро водность образца в направлении дифф зии. Предлагаемый способ основан на зависимости температуропроводимости материала от наличи в нем атомов другого сорта и их концентрации. Правомерность такого заключени сос тоит в том, что температуропроводность вл етс одной из основных характеристик теплопереноса, осуществление которого R материале проис ходит вследствие хаотического теплового движени атомов (или молекул путем обмена энергией между колеблющимис атомами. В случае двухкомпонентной систем обмен энергией между основными атом ми происходит посредством примесных атомов, и чем больше концентраци атомов примеси, тем большее (или мен шее, а зависимости от соотношени т лоемкостей основного материала и примеси) врем по сравнению с однор ной средой происходит передача энер гии в слое фиксированной толщины пр равных порци х тепловой энергии. Врем же прохождени тепла через вещество характеризует его температуропроводность . Таким образом, определ температуропроводность можн отождествить ее изменение с изменением концентрации диффузанта и при последовательном сн тии слоев получить зависимость, подобную концентрационной . Способ осуществл ют следующим образом. Определ ют температуропроводность исследуемого образца (представл ющего собой, например, плоский обра зец с диффузионным покрытием) в направлении диффузии, например, импульсным методом, пропуска зондирующий тепловой импульс в указанном направлении , чередуют эту операцию со сн тием параллельных слоев контролируемой толщины, перпендикул рных этому направлению, до полного прохождени диффузионной зоны. Изменение температуропроводности образца отождествл ют с изменением концентрации диффузанта и по этим данным суд т о его подвижности в основном материале, определ коэффициент диффузии на основании получаемой концентрационной кривой по формуле (1). Способ осуществл ют следующим образом. Проверку способа провод т на трех группах предварительно подготовленных образцов из армко-железа диаметром 10 мм и толщиной 2 мм. Поверхность образцов соответствующих групп насьпцают путем диффузионного изотермического отжига (при Т 1173 С, в течение 8 ч) легирующим элементом первой группы - обычным углеродом, второй - радиоактивным изотопом третьей - бором. После насьш1;ени образцы второй группы исследуют способом радиоактивных изотопов. Коэффициент диффузии, вычисленный в результате исследований этой группы образцов, составл ет П, 9,22. 10-8см /с. К обратной насьпценной углеродом поверхности образца из первой группы приваривают хромель-алюмелевую термопару , свободные концы которой подключают через усилитель посто нного тока к входу запоминающего осциллографа типа С8-13, синхронизированному от источника теплового импульса. В качестве источника теплового импульса используют рубиновый оптический квантовый генератор с энергией в импульс 2 Цж к длительностью 1 мс, излучение от которого, предварительно сформировакное с помощью телескопической системы до поперечных размеров образца, направл ют по нор мапи на его насыщенную углеродом поверхность .The invention relates to experimental physics, in particular to the physical study of diffusion processes, and can be used in metallurgy, semiconductor technology and other industries. The known method for studying diffusion mobility by determining the electrical conductivity of a diffusion pair consists in measuring the electrical resistance of samples to varying degrees saturated with diffusant, the magnitude of which determines the diffusion mobility of a given element lj. The disadvantages of the iDToro method are low sensitivity when studying non-conductive materials, as well as the need to use samples with transverse dimensions. A known method for determining diffusion coefficients from microhardness measurements, consisting in measuring the microhardness of a sample over the depth of the diffusion zone and calculating the diffusion coefficient from the resulting 2J profile. The disadvantages of this method are the low sensitivity and the strong dependence of the microhardness on the structure of the base metal. In addition, due to the finite size of the indenter footprint when measuring microhardness, this method is mainly suitable for studying the diffusion of elements with high mobility and forming diffusion zones (compared with the size of the footprint). The closest to the proposed technical entity is the method of determining the diffusion coefficient, which consists in the sequential removal of parallel layers of controlled thickness from the surface of the sample under study and measurement after each removal of the sample parameter characterizing the amount of diffusant in it. As diffusant use radioactive elements (labeled atoms). Quantitative characteristics of the concentration distribution are obtained by successively removing layers (for example, by etching, grinding, etc.) controlled (for example, by weighing) thickness X, which is several times smaller than the thickness of the diffusion zone, alternated with measurement using recording equipment. radiation, integrated activity, f. the remainder of the sample. In this case, the diffusion coefficient is determined by the formula Ai-idOi diffusion coefficient, t is the diffusion time, ciidcL is the tangent of the slope of the dependence graph if) (U iq / D X) on X and decrease in the integral activity of the sample when removing the layer thickness i X. at a distance X from the initial surface of the sample 3. However, the method of radioactive U. zotopes essentially limits the number of elements whose mobility in the material requires determination, which is associated with the need to use long-lived isotopes with a half-life (more than 1 day) sufficient for diffusion studies (deposition of an isotope on the surface of the material, diffusion annealing samples, removal of layers and measurement of integral activity). It is impossible to study the diffusion of other elements (for example, boron, nitrogen, etc.) and concentration distributions of some compounds (for example, boron nitride, alumina, lanthanum hexaboride, etc.) due to the absence of corresponding isotopes. In addition, when using a known method of radioactive isotopes in diffusion studies, the possibility of penetration of a radioactive substance into the surrounding space, leading to radioactive contamination of the workroom, arises, which requires the use of special safety measures (specially equipped rooms and protective equipment, training and specialty personnel, etc.), which in turn complicates the use of the known method and makes it inaccessible for a wide USAGE. Often, the cost of radioactive isotopes is high (for example, the cost of packaging a radioactive aluminum is about 10 thousand times higher than the same amount of ordinary aluminum) and the increase in the number of service personnel significantly increases the cost of research, I carried out using a known method. The aim of the invention is to increase the number of diffusants under study, reduce the cost and simplify the method by ensuring the use of non-radioactive elements. The goal is achieved by the method of determining the diffusion coefficient, which consists in successive removal of parallel layers of controlled material from the surface of the test specimen and measurement after each removal of a sample parameter characterizing the amount of diffusant in it, as a parameter of the sample characterizing the amount of diffusant in it, the sample temperature is measured in the diffusion direction. The proposed method is based on the dependence of the thermal diffusivity of a material on the presence of atoms of another type in it and their concentration. The validity of this conclusion is that thermal diffusivity is one of the main characteristics of heat transfer, the implementation of which R material occurs due to the random thermal motion of atoms (or molecules by exchanging energy between oscillating atoms. In the case of two-component systems, energy is exchanged between the main atoms by impurity atoms, and the greater the concentration of impurity atoms, the greater (or less), and the dependence on the ratio of the capacitances of the base material and impurities) time, as compared to a single medium, energy is transferred in a layer of a fixed thickness equal to equal portions of thermal energy, while the passage of heat through a substance characterizes its thermal diffusivity. Thus, thermal diffusivity can be identified by its change with a change in diffusant concentration and with sequential removing the layers to obtain a dependence similar to the concentration. The method is carried out as follows. The thermal diffusivity of the sample under study (representing, for example, a flat sample with a diffusion coating) in the diffusion direction is determined, for example, by a pulse method, a probe thermal pulse is passed in the indicated direction, this operation is alternated with the removal of parallel layers of controlled thickness perpendicular to this direction, to the full passage of the diffusion zone. The change in the thermal diffusivity of the sample is identified with the change in the concentration of the diffusant and from these data it is judged on its mobility in the base material, the diffusion coefficient is determined based on the resulting concentration curve using formula (1). The method is carried out as follows. The method was tested on three groups of pre-prepared samples of Armco iron with a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm. The surface of the samples of the corresponding groups is pressed by diffusion isothermal annealing (at T 1173 C, for 8 h) with the doping element of the first group - ordinary carbon, the second - the radioactive isotope of the third - boron. After scattering; samples of the second group are examined by the method of radioactive isotopes. The diffusion coefficient calculated from studies of this group of samples is P, 9,22. 10-8cm / s. A chromel-alumel thermocouple is welded to the inverse of the carbon surface of the sample from the first group, the free ends of which are connected through a direct current amplifier to the input of a C8-13 storage oscilloscope synchronized from a heat pulse source. As a source of heat pulse, a ruby optical quantum generator with an energy per pulse of 2 TsJ for a duration of 1 ms is used, the radiation from which, previously formed with a telescopic system to the transverse dimensions of the sample, is directed along the norm on its carbon-saturated surface.

ss

Температуропроводность образца в направлении прохождени теплового импульса определ ют расчетом пЪ параметрам , получаемым из записанной на экране осциллографа информации об изменении температуры на обратной ненасьпценной углеродом поверхности об разца. После каждого измерени производ т сн тие сло толщиной 1 + 1,5 мкм и снова определ ют температз ропроводность , череду эти операции до полного Прохождени диффузионной зоны. По формуле (1), использу в качестве t. изменение температуропроводности , вычисл ют коэффициент диффузии. Его величина дл этой серии измерений составл етИ .The thermal diffusivity of the sample in the direction of the heat pulse propagation is determined by calculating the parameters for the parameter obtained from the information recorded on the oscilloscope screen about the temperature change on the reverse surface of the sample, which is not covered by carbon. After each measurement, a layer with a thickness of 1 + 1.5 µm is removed and the temperature conductivity is again determined, and the sequence of these operations until the full passage of the diffusion zone. According to the formula (1), using as t. change in thermal diffusivity, calculate diffusion coefficient. Its value for this series of measurements is ET.

Справочные данные дл диффузии углерода в армко-железе при Т 1173°С дают D 9,191Cr CM2/с, т.е погрешность измерений обоими способами не превышает 25%.Reference data for carbon diffusion in Armco iron at T 1173 ° C give D 9,191Cr CM2 / s, that is, the measurement error by both methods does not exceed 25%.

Аналогично исследовани м первой группы образцов исследуют диффузионную зону в образцах третьей группы, одну из поверхностей которых насыщают бором, не имеющим долгоживущего изотопа. Определенньй сSimilarly to the studies of the first group of samples, a diffusion zone is investigated in samples of the third group, one of the surfaces of which is saturated with boron, which does not have a long-lived isotope. Determined from

7491674916

помощью предлагаемого способа коэффициент диффузии в этом случае составл ет 3,2- 10 .using the proposed method, the diffusion coefficient in this case is 3.2-10.

Предлагаемый способ определени The proposed method of determining

5 коэффициентов диффузии позвол ет с достаточной точностью (не хуже способа радиоактивных изотопов) и надежностью проводить диффузионные исследовани и определ ть коэффи0 циенты диффузии в любых материалах, не прибега к радиоактивным изотопам . Это дает возможность, по сравнению с известным способом значительно снизить себестоимость проводимых исследований, полностью обеспечить безопасность получени информации о диффузионной подвижности элементов, исключить радиоактивное загр знение рабочего помещени и заражение обслуживающего персонала.The 5 diffusion coefficients allow with sufficient accuracy (not worse than the method of radioactive isotopes) and the reliability of conducting diffusion studies and determining the diffusion coefficients in any materials without resorting to radioactive isotopes. This makes it possible, in comparison with a known method, to significantly reduce the cost of research, to fully ensure the safety of obtaining information on the diffusion mobility of elements, to eliminate the radioactive contamination of the working room and contamination of operating personnel.

Кроме того, предлагаемый способ может найти применение в тех област х промышленности, где примен ют сварку, химико-термическую обработку, легирование и насыщение изделий другими элементами, а также в научных исследовани х дл изучени процессов диффузии и окислени .In addition, the proposed method can be used in areas of industry where welding, chemical thermal treatment, alloying and saturation of products with other elements are used, as well as in scientific research to study diffusion and oxidation processes.

Claims

METHOD FOR DETERMINING DIFFUSION COEFFICIENT, consisting in sequentially removing parallel layers of controlled thickness from the surface of the test sample and measuring after each removal of the parameter of the sample, characterizing the amount of diffusant in it, characterized in that, in order to increase the number of studied diffusants, reduce the cost and simplify the method by providing non-radioactive elements, as a parameter of the sample characterizing the amount of diffusant in it, measure the thermal diffusivity of the sample in board of diffusion.

SU 11174U1